基于MEMS的汽车发动机用机油压力传感器研究_图文

1、武汉理工大学硕士学位论文基于MEMS的汽车发动机用机油压力传感器研究姓名：王小平申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：姜德生20100501摘要传感器是先进制造技术领域的基础元器件之一。（）传感器具有小尺寸，低成本、高可靠的特点，被广泛应用于汽车电子领域，包括发动机控制系统、空气悬挂系统、车体平衡系统、刹车控制系统、汽车空调等，目前每台中高档车中平均应用了只传感器。随着我国商用车发动机欧三排放标准的实施，发动机机油压力传感器的需求量越来越大，但由于其技术难度大、投资大、市场竞争激烈和风险较大等各种因素，目前主要依赖进口，国内很少有机构涉足此领域。本文通过理论计算、仿真分析以及实验

2、等方法，深入研究的基于的汽车发动机用机油压力传感器的设计、封装、制造及批量标定。本文所做的工作主要有以下几个方面：、研究了压阻式压力传感器芯片的基本原理和温漂特性。压力传感器芯片表面不能接触腐蚀性物质，表面污染特别是金属离子往往会带来致命的失效，研究介质隔离的膜片式封装结构，使之满足汽车发动机机油压力测量的需求。、研究机油压力传感器的制造工艺流程，并给出论文所制备的传感器的关键参数和输出特性。、汽车应用环境的严酷性决定了机油压力传感器封装结构中的各个界面必须耐振动和冲击。测试评估机油压力传感器封装结构，包括贴片胶剪切强度测试、绑定金丝强度测试以及封装气密性测试。、研究机油压力传感器制造过程中的

3、关键工艺，包括碰焊、充灌硅油以及信号调理，提高封装后的传感器的一致性，使之适合批量生产。、机油压力传感器的批量标定技术研究。压力传感器由于其加工工艺的特殊性，决定了其必须一对一的标定。汽车行业大批量的特点要求机油压力传感器的标定必须实现批量自动标定。关键词：压力传感器封装汽车电子批量标定，曲，、，、，、，、，、武汉理：火学硕十学位论文，：，独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同

4、志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。研究生（签名）刘、千导师（签名）：日期：武汉理：人学硕七学位论文第章概述绪论依据国家中长期科学和技术发展规划纲要，确定制造业为国家重点发展领域之一，是国民经

5、济的主要支柱。传感器是先进制造技术领域的基础元器件之一，品种繁多、应用面广、需求量大。压力传感器因其灵敏度高、线性度好、稳定性好，容易实现批量生产，易于利用标准的工艺技术实现集成化等特点成为目前应用最广泛的微机械产品之一。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。一辆现代高级轿车的电子化控制系统水平的关键就在于采用传感器的水平和数量，汽车传感器的发展水平很大程度上决定了汽车电子化和智能化的水平。为了实现汽车工业和用户所追求“安全、环保、舒适、经济目标，就必需实现汽车的电子化、信息化和智能化，这要求在汽车上大量应用各种传感器，以

6、便实时准确获取诸如温度、压力、位置、距离、转速、加速度、姿态、流量、湿度、电磁、光电、气体、振动等各种信息。随着技术的日趋成熟和完善，压力传感器已可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，应用已非常广泛，其典型应用包括以下个方面：（）进气歧管压力测量；（）制动压力（电动气动制动）测量；（）汽车悬挂系统空气弹簧压力测量；（）轮胎压力控制系统（蹦）；（）底盘和悬挂控制系统（减震器压力）；（）空调系统的制冷压力；（）自动传送系统的调制压力控制；（）制动压力控制，应用于刹车总泵或车轮制动泵、自动偏航力矩补偿、电控制动；（）燃料箱压力在线诊断；（）燃料室压力检测；（）柴油机喷油泵压力检测；（

7、）柴油机的共轨压力控制；（）汽油火花点火式发动机的共轨压力控制。武汉理一火学硕学位论文（）汽油发动机共轨压力控制目前，高档汽车大约采用了只传感器。汽车传感器的广泛应用极大地推动了电子技术发展和在汽车上的应用。汽车用传感器一般包括压力敏感芯片和以专用（）为核心的信号测量及信号处理组件，针对不同的应用敏感芯片和电路还需要按使用要求进行合适的封装。目前，在国外生产的汽车用压力传感器中，由于采用技术生产的扩散硅压阻式芯片能够做到大批量生产、价格也可以满足汽车工业的低价要求，所以应用最为普遍。目前，国内汽车主机厂配套使用的微压力传感器基本上都是国外产品，主要供应商有、等，每年需要进口万套以上，国产产品主

8、要是传统的机电式压力传感器。随着汽车电子控制水平的提高和对汽车排放标准要求的日趋严格，传统的机电式传感器正逐步被淘汰。根据中国传感器协会的统计资料，国内目前能够实现为汽车主机配套的微压力传感器极少，国外产品在国内汽车行业处于绝对的市场垄断地位。为了打破国外产品垄断汽车传感器市场的局面，国家科技部年月将“汽车用压力传感器实用化研究”列入“十五重大专项，提高我国压力传感器的自主研发能力，实现产品的国产化，推动我国的技术向产业化方向发展。上海飞恩微电子有限公司承担了此项目，在项目期内完成了几种汽车用压力传感器及系统的设计开发，并实现了小批量装车，年月通过科技部验收。国家科技部为了进一步推动压力传感器

9、及系统的规模化应用，在“十一五重大专项中继续立项支持。上海飞恩微电子有限公司、九江保华飞恩微电子有限公司联合奇瑞汽车有限责任公司承担了“汽车发动机微传感器及系统”和“汽车胎压微传感器及系统”等两个项目，推动传感器在国内主流汽车主机厂的规模化应用，打破国外产品的市场垄断，提高自主品牌汽车厂家的核心竞争力。本论文的主要研究工作均是在“十五”及“十一五的支持下完成的。国内外发展状况全球传感器市场正呈现出快速增长态势。资讯公司的市场报告显示，年全球传感器市场容量为亿美元，预计年全球传感器市场可达亿美元以上。东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依然是传感器市场分布最大的国

10、家。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场。预测，从年到年，全球车用传感器将呈现武汉理人学硕十学位论文左右的成长率。中国市场更是车用传感器发展的沃土。近几年柬，中国传感器的市场一直持续增长。计世资讯（）最新调查数据显示，年年期间中国汽车传感器市场销售额的年度复台增睦率将超过。预计年中国市场销售额将接近亿美元，其同比增长率为；预计中国年市场销售额将超过亿美元，其同比增长率为撕。国内“赛迪数据库”对全球和中国汽车传感器市场的销售量发布了一项统计和预测结果，如图所示。，罂一一腓图一日彳±年全球和中国汽车传感器市场销售量及预测（数据来源：赛迪数据资源有限公司）目前我国已发展为垒

11、球第三大汽车制造国汽车产业己成为国民经济持续发展的增长点和国家的支柱产业之一。年，中国汽车市场规模突破万辆，其中乘用车突破万辆。年中国的汽车销量突破万辆，刨历史新高纪录。最新调查数据显示，年中国汽车传感器的市场销售额达到率为：预计年市场销售额将超过亿美元，其同比增长率为亿美元，同比增长率为；年的市场销售额达到亿美元，同比增长。年，中国汽车传感器市场规模达亿美元，预计年中国汽车传感器市场将达百亿元。据传感嚣瓷讯网年中国压力传感器生产厂商名录统计，中国现有压力传感器制造商共有余家。但有能力生产充油式压力传感器的有宝鸡麦克、南京高华、沈阳传感器中心、宝鸡恒通、南京沃天等家。但这些生产制造商很少拥有自

12、主知识产权，仅昆山双桥、西安中星测控、北京青鸟元芯、沈阳传感器中心拥有核心专利。中美合资麦克传感器有限公司成立于年，是中国压阻式压力传感器行业中的先行者和领先者。责克传感器有限公司运用与国际先进技术同步的武汉理入学颈十学位论文总线操作、宽温度数字补偿、非线性校正以及数据采集技术，成功地开发出压阻式压力俦感器、智能压力变送器以及测量和控制仪表等高产品，产品品种达到一百多种。其产品主要应用于工业过程控制、液位测量、气体、液体压力测量、压力检测仪表、压力校准仪器、液压系统及开关、制冷设备、空调系统以及航宅航海检测等领域，目前尚未见其成功应用于汽车电控系统的报道。、图麦克工业控制用压力传感器沈阳汇博自

13、动化仪表公司隶属于沈阳仪表科学研究院，主要致力于传感器、变送器、二次仪表、自动化控制系统产品及技术的研制开发和批量生产，主导产品包括：船系列扩散硅压力液位变送器、系列电容压力娈送器、系列温湿度传感器及变送器，主要应用于城市供水污水自动监测系统、工业自动化成套系统、锅炉控制系统、防盗监控系统。作为国家“八五”、“九五”攻关的科研成果，备项产品及技术成功地进行了广泛地推广应用，并先后荣获多项国家、省、部级科技进步奖。典型应用涉及能源、环保、电力、供热、供水、供气、冶金、医药、食品等行业，取得了良好的社会效益和经济效益。但其产品也尚未规模化应用于汽车行业中。图沈阳工业控制用压力变送器我国压力传感器的

14、总体技术现状有喜有忧。首先核心技术硅片的制造虽有突破，但其稳定性和一致性差，批量生产工艺尚不成熟，核心芯片技术仍未武汉理上人学硕士学位论文完全掌握；其二，充油式压力传感器生产工艺上不成熟，高端技术仍由国外公司垄断，如瑞士、美国等；其三，压力传感器的电磁兼容性，我国现有大部分产品抗干扰能力差，难以满足工业环境使用；其四，由于批量制造技术的不成熟，压力传感器在汽车中的规模化应用还十分缓慢。汽车电子的趋势是越来越集中，传感器越来越多。中国电喷系统应用传感器占系统的以上。汽车数量的增加以及每辆汽车上所采用传感器的增多，必然会导致中国汽车传感器市场容量不断增大，中国传感器市场正进入蓬勃发展期。然而，和国

15、外传感器产业相比，中国汽车传感器尚未形成独立的产业。自世纪年代以来，中国汽车行业引进国外的先进技术及与之相配套的传感器生产技术，只能满足国内小批量、低水平车型的配套需求。我国现阶段汽车传感器产业整体水平较低，技术含量及附加值不高，多种传感器尤其是高端的汽车传感器仍旧依赖进口。汽车传感器对整车厂而言，是二级配套产品，必须以系统形式进入整车厂配套。发动机电子控制系统由国外进口时，必须配套进口相应的的传感器。国内传感器市场被博世、德尔福、大陆、以及霍尼韦尔等国际零部件巨头占据大半江山，而国内汽车传感器产业发展缓慢。进入二十一世纪以来，我国的汽车电子行业随着汽车产业的快速增长得到了蓬勃的发展，尤其是关

16、键的发动机电子控制系统，国内陆续出现了奇瑞发动机公司、菱电、阳光泰克等很多具有自主知识产权的厂商，为汽车发动机用传感器的国产化提供了可行性。目前国内的压力传感器厂商多是模仿学习国外的成熟产品，直接采用国外的压力传感器封装片，组装外壳的方式进行生产，缺乏基础的传感器芯片、封装及应用研究，产品也多是进入售后市场，而没有真正的进入主机厂。国内的主要汽车传感器制造厂商有上海飞恩微电子有限公司、九江保华飞恩微电子有限公司、泓盈传感技术有限公司等。上海飞恩微电子有限公司是由一批从海外归来的集成电路、及封装等领域的技术专家发起成立的高科技企业。飞恩公司自年成立以来，依靠其技术团队在海内外掌握的先进技术和丰富

17、的实践经验，以汽车电子和消费电子产品为核心业务，在专用集成电路芯片、传感器及其应用产品的开发和产业化进程中已取得了丰硕的成果，飞恩公司开发、生产的压力传感器、汽车轮胎胎压监测系统（）等产品，已经被多家知名的汽车制造商采用。武汉理凡硕十学位论文删艚§茹图上海恩压力传感器及系统产品机油压力传感器主要应用于商用车发动机控制系统。在年以前，我们国家的商用车发动机排放标准在欧二排放标准毗下，发动机控制系统中仅仅应用了机油压力开关，没有对机油压力进行实时、连续的监测进而控制发动机的工作状态。在年，我国开始强制实施商刚车欧三排放标准，对发动机的工作状态控制、燃油经薪性提出了更高的要求机油压力传感器

18、开始逐渐成为欧三发动机控制系统的标配件。由于国内在此方面起步较晚，目前机油压力传感器的供应主要依赖进口，是全球主要的供应商，约占到仅的市场份额。由于发动机机油中台有很多有机物质以及机械磨损带来的金属碎屑，机油压力传感器必须耐受腐蚀性介质及沾污。目前采用的技求是陶瓷电容式压力传感器。图机油压力传感器陶瓷由于其耐腐蚀的特点，非常适合应用于发动机机油压力测量。陶瓷电容传感器需要非常高的陶瓷薄膜技术，我国目前比较成熟的只有陶瓷厚膜技术，在陶瓷薄膜技术上的发展仍处于起步阶段。充油式压力传感器采用介质隔离的不锈钢膜片封装，可以耐受腐蚀性介质和占污，可以满足汽车发动机机油测量的要求。但为什么没有被成功的应用

19、到汽车发动机中呢？主要有咀下几个方面的原因制约了传统国内充油式压武汉理：火学硕士学位论文力传感器在汽车中的应用：（）汽车发动机的工作环境恶劣，不仅需要宽工作温度范围（一），而且需要耐受高强度和高密度的机械振动、机械冲击等，要求传感器的封装结构包括贴片胶的剪切强度、绑定金丝的抗拉力以及封装结构的气密性等关键特性必须满足汽车标准需求。而我国传统传感器产品大多应用于工业控制及消费电子领域，产品的可靠性要求低，比如：汽车发动机用压力传感器耐久性试验需要进行在下进行万次压力循环，而国军标仅仅要求常温下万次循环。传统的压力传感器厂商普遍缺乏汽车可靠性方面的经验。（）汽车行业产量大，同时也要求价格低。汽车电

20、子产品一直有着“军品的质量，民品的价格”的特点。传统压力传感器厂商的产品动辄元，而有着极高技术难度的汽车发动机电控单元（）才仅仅元上下，根本承受不了如此高的配套传感器成本。以下两个方面的原因导致了传统传感器厂商无法降低成本以满足汽车行业的需求。）压力传感器芯片在封装过程中，往往会累积一些封转应力，从而造成传感器参数的离散性较大，需要一对一的进行标定和筛选，造成了巨大的人工成本和设备使用成本浪费。如何从工艺上提高封装后的传感器的一致性，是从根本上降低传感器的制造成本的关键。）众所周知，压力传感器的测试成本占到了其总成本的左右。如何实现批量自动标定和测试，也很大程度的影响到进一步降低传感器的综合成

21、本。本论文的研究内容和安排本论文拟研究基于技术的机油压力传感器，采用介质隔离的金属膜片封装，使其适用于发动机机油压力测量。本文通过研究机油压力传感器关键的批量制造技术，从工艺上最大限度的保证传感器的致性，从而提高压力传感器的可测试性，从根本上降低传感器的测试成本；通过研究批量测试标定设备，实现了机油压力传感器的批量、自动标定和测试，大幅度的降低了传感器的综合成本，实现压力传感器在汽车中的大规模应用。本论文所研究的压力传感器已累计实现逾十万只销售。机油压力传感器的基本技术要求如下：工作电压：±工作温度范围：压力测量范围：、一全温区误差（一）：±武汉理：大学硕士学位论文本论文的

22、主要工作安排如下：本论文的主要研究内容和工作安排如下：（）由于机油压力传感器的工作范围宽，而且综合误差要求高，所以需要通过研究压阻式压力传感器芯片的基本工作原理，找出压力传感器芯片加工工艺中的关键点，进而指导压力传感器芯片的加工。（）机油压力传感器的封装结构设计及测试。机油压力传感器的测量介质具有腐蚀性，且污染严重，而压力传感器芯片表面不能接触腐蚀性物质，表面污染特别是金属离子往往会带来致命的失效。汽车应用环境的严酷性决定了机油压力传感器封装过程中的各个界面必须是耐振动、冲击的。（）机油压力传感器的制造工艺研究。科学技术必须转化为产品，才能形成真正的生产力。研究机油压力传感器制造过程中的各项工

23、艺，使之适合批量生产。（）机油压力传感器的批量标定技术研究。压力传感器由于其加工工艺的特殊性，决定了其必须对一的标定。我们国家压力传感器的发展一直是小批量、多品种的发展模式，标定往往都是手动的一只一只调试，而且由于标定还需涉及到温度环境，过程繁琐，效率极低。汽车行业大批量的特点要求机油压力传感器的标定必须实现批量自动标定。第章机油压力传感器设计压力传感器的基本原理早在年代，人们因观察到流体静压力对金属多晶的电阻有影响而发现压阻效应。年代人们发现硅、锗等半导体的压阻效应更为显著，并且对其压阻效应做了较为详细的研究。基于半导体硅材料的压阻型压力传感器分为两类：硅应变片型和扩散硅型。扩散硅型压力传感

24、器的主要材料是单晶硅和多晶硅。本文主要研究基于单晶硅材料的扩散硅型压力传感器压阻效应是指材料在受到应力的作用时，其电阻或电阻率发生变化的现象。半导体的压阻效应是指对半导体施加外力时，导致了材料的电阻率（或电导率）发生了变化。在文献中第页给出了应变材料的应变与电阻变化之间的关系：塑：时刀：（）、，公式中为材料的压阻系数，为材料的杨氏模量，为材料的应变率，其中为材料的泊松比。半导体阻值的变化是由几何尺寸的改变和载流子运动状态的改变这两者的共同作用的。半导体材料的电阻率的改变所引起的电阻值的变化远远大于其本身的几何尺寸变化所引起的电阻值的变化，所以在式（）中值主要由决定。半导体材料在单向应力作用下，

25、不仅纵向伸长或缩短，而且横向还要变窄或变宽，晶体的对称性相应的发生了变化，其能带结构也发生变化，电子在能谷间转移使半导体材料的电阻率发生变化。对于单晶硅等半导体来说，在单向应力作用下，能带变化特别显著，引起沿晶体某一方向特别强烈的压阻效应。在正交坐标系中，当坐标轴与晶轴一致时，我们可以忽略电阻的几何尺寸的变化对电阻变化的影响畸制，那么，半导体硅的电阻的相对变化与应力之间的关系满足：等：乃乃嘎等（吼卅百鄙棚。专均一）（）式中。为纵向压阻系数，表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向一致，为纵向应力：为横向压阻系数，表明应力作用方向与通过压阻元件的电流方向垂直，为横向应力。人们做了大量的工作，对半

26、导体的主要晶向的压阻系数进行了测量。表一给出了硅的（）晶面内主晶轴方向的纵向、横向、剪切压阻系数。表室温型硅和型硅的典型压阻系数粪型屯系数万一“一¨单位矗¨一一”本课题开发的汽车用压力传感器芯片基于硅的压阻效应。利用这个原理，采用集成工艺技术，经过掺杂、扩散沿单晶硅片的特定品向制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器，芯片结构示意图如下圈所示。扩般二处，；¨图压力传感器芯片结构示意图如图所示，个电阻中，个与膜边平行，另外个与膜边垂直。如果电阻位置靠局理想，当有压力

27、作用于膜片上时，个电阻将增大，另外个电阻将减小；并且增大量与减小量应该相等。这四个电阻联成惠斯顿电桥，如图所示，其中为桥压，为差分输出。其输出表达式为：二（）武汉理工人学硕士学位论文图方形薄膜上四个电阻图惠斯顿电桥结构其中，为电阻的变化（假设个电阻的变化大小相等），。为零压下的电阻值。半导体材料对温度非常敏感，压力传感器之所以采用惠斯顿电桥结构，主要是考虑到这方面的问题。理想的情况下，温度发生变化时，四个应变电阻的改变量应该相等，从而保证在零压力下、不同温度时，电桥依然保持平衡。但是在传感器芯片加工时，由于掺杂浓度的不均匀性，不可能保证个电阻值和温度系数模一样。这样就会带来传感器的零点输出以及

28、零点的温度漂移。另外，传感器芯片的压阻系数也是随温度变化的，这又带来了灵敏度的温度漂移。武汉理丁：大学硕学位论文图压力传感器电路结构示意图影响硅压阻压力传感器温度特性的参数有：、敏感电阻具有正温度系数，用名，丁表示，电阻值随温度的升高而增大。敏感电阻是通过掺杂形成的，而且电阻的温度系数与掺杂浓度密切相关，通常随着掺杂浓度的提高，温度系数逐渐减小。、灵敏系数，表示为五。，具有负温度系数，随着温度的提高压阻系数的温度系数逐渐减小。灵敏系数也是掺杂浓度的函数，掺杂浓度不同时，温度系数不同。当恒流源激励时（电流为，），电桥的输出为：形：堡垒二型生一，（）。马假设敏感桥路上的所有电阻相等，即，上式可改写

29、成：，可瓦砑丽石刁币琢币矸瓦矸研。五丁）】五。，丑）（旯玎丁雌旯，（元）皿一伍（五一（见丁），尺（丁（乃丁弘（）因以为正数，为负数，且均与掺杂浓度相关，所以可寻找一个掺杂浓度，使得（以以）对温度求导为零，使不随温度变化而变化，实现零温度漂移。在实际传感器芯片工艺中，芯片电阻率均匀性和掺杂带来的分散性是不可避免的，所以不可能达到真正意义上的零温漂，但通过计算和试验可以将武慢珲人学硕十学仲论文温漂系数控制在一个合理的范围满足工业化生产的需要机油压力传感器封装结构设计微电子封装概述微电子封装最主要的功能有：电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护”。封装相比封装，处理的因素更多，史复杂，封装

30、必须保护在多种环境下使用的微机械部分，另外还要提供电信号连接。压力传感器的封装需要满足以下几方面的要求：）抗振动，抗冲击；）避免热应力对芯片的影响）电气上与环境绝缘；）电磁屏敝：）介质隔离；）低成本，封装形式与标准制造工艺兼容。目前封装应用最为广泛的三种形式是：盒属封装、塑料封装和陶瓷封装”，。图足，封装中最常见的种封装形式。媾咿机油压力传感器封装结构应用于发动机机油压力监测的本文研究的汽车发动机用机油压力传感器，工作环境非常恶劣。由于发动机机油有较强的腐蚀性，因此为了防止硅压力芯片的腐蚀，该传感器使用不锈铜隔离膜式的气密金属封装结构金属外壳和底座碰焊形成一个高气密性的密封腔体，腔体内充满硅油

31、。被测介质和压力芯片被不锈钢膜片和硅油隔离开来，由于不锈钢膜片的弹性力学特性和硅油在低压力下的不可压缩性，压力几乎可以没有损耗的传递到压力芯片。隔离式封装的机油压力传感器敏感器件主要由底座、金属外壳、陶瓷底座、硅油、芯片段不锈钢波纹片组成，其结构如图所示。图机油压力传感器金属封装结构隔离式封装的机油压力传感器的主要封装工艺为：、不锈钢波纹片与金属外壳采用氩弧焊接工艺进行气密性焊接：、硅油经过高温高真空处理后在真空下灌注；以基本消除残余气体对隔离测压系统的影响。“；、芯片用贴片胶粘贴在底座上：、芯片焊盘与底座通过金丝引线键合连接：、底座与金属外壳通过电阻熔焊形成气密腔体。其工艺流程图如下图所币。

32、图机油压力传感器关键封装工艺圈机油压力传感器工艺流程图本文采用咀上结构设计和工艺流程圈制各出的机油压力传感器敏感器件照片如图所示，传感器敏感器件加上调理电路板以后成品照片如图所示。武汉理人学硕十学位论文图黧鎏符号最小，机油压力传感器照片其主要特征参数如表所示，输出特性曲线如图所示。表参数压力范厨温度范围供电电压电源供给电流机油压力传感器特征参数典型最大单位输出电流输出负载，时的低饱和电压时的高饱和电压响应时间武汉理，人学硕十学位论文一仍一图机油压力传感器输出特性曲线本章小节本章简单介绍了压阻效应产生的机理和惠士顿电桥式压阻压力传感器的压电转换关系，在此基础上，通过理论计算，分析了硅阻压力传感器

33、恒流激励下的输出电压与其掺杂电阻的压敏系数和温度系数之间的关系。控制合适的掺杂浓度可以实现压力传感器尽可能小的零点温漂。本章介绍了传感器的三种主要封装形式，即金属封装、陶瓷封装以及塑料封装。机油压力传感器应用于汽车发动机中，不仅应用环境恶劣，需要承受强烈的振动和冲击，而且所测量的介质具有一定的腐蚀性，故本文研究的机油压力传感器采用隔离式金属封装结构。本章详细介绍了机油压力传感器的封装结构，给出了部分关键工艺及其制造工艺流程图。本文所研究的机油压力传感器的性能指标以及输出特性曲线也在本章中给出了详细说明。武汉理：大学硕士学位论文第章压力传感器关键制造工艺研究压力传感器的制造涉及许多工艺，本文对其

34、中的几个关键工艺进行了研究。碰焊工艺研究机油压力传感器和空气压力传感器，均是通过碰焊（即电阻熔焊）工艺将粘贴有压力芯片的底座与金属外壳焊接为密封体。电阻熔焊是将被焊接件压紧于两电极之间，施加定电流，利用电流流经工件接触面而产生的电阻热效应，使焊接处迅速加热形成熔核及塑性环，然后熔核在压力作用下冷却结晶，形成组织致密的气密性焊点或焊缝。在压力传感器中，底座与金属外壳接触面之间焊接质量好坏直接决定传感器的气密性，对压力传感器的输出性能和可靠性有着重要影响。碰焊时，将充油组件从硅油中取出，平稳转移至焊接夹具的下电极的孔内，然后将焊接夹具上电极通孔穿过已收拢的组件管腿中心，平稳压在组件上，套上定位筒，

35、确保焊接夹具的上下电极同轴，最后将装有充油组件的焊接夹具平稳转移至封焊设备的工作仓内的焊接平台上。充漓姐图充油组件平稳转移至焊接夹具下电极平推装有充油组件的焊接夹具，使其定位筒边缘与焊接平台的限位挡板两边相切，下电极底面应与焊接平台完全接触，如下图所示。极图充油组件在工作舱内状态双手同时按下工作舱内的“焊接”按钮，开始封焊，封焊机的上焊接平台下降，自动完成封焊。在压力传感器的碰焊工艺中，产生的热量应足够大到可使底座与金属外壳的接触面迅速熔融，这是产生良好焊接质量的首要因素。碰焊产生的热量由以下公式决定：（一）式中是焊接电流，是两电极问的电阻值，是焊接时问。因为所使用的焊接设备是一定的，焊接电压

36、和焊接时间一定即焊接电流一定，因此主要影响焊接质量的因素是两电极间的电阻，即底座与金属外壳问的接触电阻。不同材质的底座的电阻值有较大区别，与金属外壳间的碰焊效果也不司。我们通过建立简单的三维传感器碰焊模型，对碰焊模型施加短时间的电流，计算不同材质底座的温度场分靠，以此模拟碰焊过程中瞬间高电流产生的热量对底座的影响，三维碰焊模型如图（）所示，两种材质底座的温度场分布如图（）和（）所示。从图中可咀看出，材质的底座在瞬间高电流作用后，即碰焊后，产生的热量不仅低于材质的，而且热量被迅速传导至整个底座中部，温度分稚不够集中；而材质的底座在碰焊后，产生的热量主要集中在底座与金属外壳的接触区域，因此材质的底

37、座在碰焊时最易产生良好的熔核。）三维碰焊模型（）材质的分析结果（）材质的分析结果图碰焊的三维模型及分析结果表一是两种村质的底座的碰焊试验参鼓及碰焊后的捡漏结果。从表中可以看出材质的底座碰焊质量非常好，漏率满足美军标要求，且焊接电压值较低，对设备的损耗小而材质的底座即使使用较高的焊接电压，也无法达到良好的焊接质量。衰序号不同材质底座的碰焊参数及检漏结果焊接电压（）漏宰（）碰焊结果较好好好好好差材质）矿摹莘差由村质充灌硅油工艺研究机油压力传感器采用的是隔离膜片的气密封装结构，隔离膜片把传感嚣芯片与外界环境隔离开，传感器隔离膜片与压力芯片之间充满了硅油。硅油净化和真空充灌，是机油压力传感器的摄关键的

38、封装工序。硅油放置在空气中，会吸收空气中的水分和气体，吸附速率会随空气湿度和温度增加而增加直到达到饱和值而停止吸附。气体和水分子的半径远小于线性武汉理】人学顽十学位论文直链硅油分子间距离，很容易进入硅油中。由于水的沸点较硅油低根多，且热膨胀系数远人于硅油，因此如果将不纯净的硅油用在传感器内，在高温阶段如。下，硅油中杂质体积变化会对传感器的性能造成严重的影响。因此，在灌油之前，应该采用减压加热的方式来净化硅油，最大限度地除掉硅油中的水分和气体。硅油在充灌前的处理分两步进行”“。首先，通过搅拌及高温加热，用真空泵将硅油抽真空至数量绒，去掉硅油中分解的小分予量有机物质、水汽和易气化的杂质：然后，在更

39、高真空度（。数量级以）的灌油室中将硅油非常缓慢的灌入待充油组件中，保证硅油充灌的充分性。一，扣腔拢首旺丛图待充油组件示意图硅油充滩设备主要由硅油净化腔、硅油充灌腔体以及必要的真空系统、加热系统、温度控制系统和电器控制系统组成，如图是充灌硅油设备示意图。一一一自一瞧、搅拌，、“目、一材萝¨一目：；：。、灌腔，、￥真±系统、图先灌硅油设备示意图压力传感器的零点温漂可以用来评价机油压力传感器硅油充灌质量的好坏。表是只传感器样品在硅油充灌前后的零点测试数据，从表中可以看出，传武汉理大学硕十学位论文感器在硅油充灌前后，其零点输出特性没有改变。充灌硅油工序并没有改变压力传感器的零点输出

40、特性。表压力传感器在硅油充灌前后的零点测试数据充灌硅油前充灌硅油后序号。压力传感器信号调理技术研究压力传感器的信号调理就是把压力芯片的输出信号经过一系列的转换，达到所需要的输出形式，并且满足一定的精度要求。压力传感器基体材料是硅材料，而硅的载流子迁移率、电阻率、压阻系数和结特性等全部都是温度的函数副。压力传感器的温度补偿主要分恒压激励和恒流激励两种，国内外文献对这两种方法做了比较多的研究舯】。对压力芯片的信号调理，就是对压力芯片的输出进行温度补偿，消除其温度效应；并对其输出信号进行放大，调节其失调，从而使压力传感器满度的输出信号为一，全温区的精度要求达到。压力传感器的测试调理系统如图（）所示，

41、该系统包括电脑、压力控制器、高低温试验箱、气源、测试夹具、评估板以及多功能数据采集卡和（）板卡。采用的压力控制器精度为万分之一。多功能数据采集卡和板卡采用公司的产品，如公司的开发平台、等。所采用的评估板如图（）所示，它是电脑与信号调理芯片之间的接口，电脑通过它将所需要的信号调理参数写入芯片，同时将芯片信号反馈给电脑。武汉理大学硕十学托论文、一，；螽）测试调理系统斟）电路板（）信号调理程序用户界面图测试调理系统及程序界面蚪墅长多刊篓！多图压力传感器信号调理流程图利用丌发工具，编写压力传感器的测试调理程序。用户界面如图（）所示。其流程如例所示，在两个温度点下对压力传感器进行测试调理，每个温度下采集两个压力点的数据。在每个温度点下，首先将压力控制器设定到低压点，采集传感器输出信号：然后，将压力挣制器设定到高压点，再次采集传感器输出信号。根据采集到的数据，由程序计算出常温下传感器的失调系数以及所需要增益倍数，将这些参数写入信号调理芯片的存储器中。最后由程序计算出传感器的零点温度补偿系数以及灵敏度温度补偿系数，将计算出柬的数据写到调理芯片对应的存储单元中。武汉理大学硕十学位论文表是只压力